全自动无人驾驶与传统列车控制系统差异研究

全自动无人驾驶与传统列车控制系统差异研究

薛强

摘要：本文从城市轨道交通列车控制系统的功能和系统组成入手，结合列车自动控制系统的等级，给出城市轨道交通全自动无人驾驶与传统列车控制系统在管理方式、功能以及接口方面的差异。在此基础上，从行业发展的角度，对城市轨道交通行业给出展望。

关键词：城市轨道交通；列车控制系统；全自动运行；自动化等级；未来列车控制系统

The difference between automatic driverless and CBTC system

Xue Qiang

Casco, Shanghai，200436

Abstract: Basing on system and function of urban transmit train control, with grades of automation, this paper clarify the difference of management, function and interface between driverless and classical train control system. Then From the perspective of train control development, the outlook for urban rail transit industry is given.

Key word: urban transmit; train control system; automatic operation; grades of automation; future train control system.

1城市轨道交通列车控制系统功能

城市轨道交通列车控制系统，又称为信号系统，被称为城市轨道交通的大脑，是城市轨道交通行业的关键核心技术，用于列车进路控制、列车间隔控制、调度指挥、信息管理、设备工况监测及维护管理，是保证列车运行安全、实现行车指挥的重要保障。

早期城市轨道交通列车控制系统主要采用基于轨道电路系统的准移动闭塞信号系统，目前CBTC（基于通信的列车控制系统Communication based train control）移动闭塞列车控制系统已成为城市轨道交通列车控制系统的主要模式。

基于CBTC的UTO（全自动无人驾驶Unattended Train Operation,以下简称为UTO）技术是当前主流技术路线。

2城市轨道交通列车控制系统组成

主流城市轨道交通列车控制系统采用移动闭塞原则，由ATC子系统（列车自动控制Automatic Train Control）、CI子系统（计算机联锁Computer Interlocking）、ATS子系统（列车自动监控Automatic Train Supervision）、DCS子系统（数据通信系统Data Communication Subsystem）和MSS子系统（数据通信系统Data Communication Subsystem）构成，并以计轴设备或轨道电路作为列车次级检测设备实现系统的降级功能。

各子系统的功能分别为：1）ATC子系统，包括车载和轨旁设备两部分，主要管理每列列车位置并确保列车防护和列车操控；2）CI子系统，为轨旁基础设备，防止列车正面或侧面碰撞、脱轨以及操作轨旁设备；3）ATS子系统，用于确保运营监控，正线、车辆段和资源的管理；4）DCS子系统，为各个设备单元之间通信的核心，每一设备单元(ATC, CI, MSS, ATS)都连接至DCS；5）MSS子系统，主要用于增强信号系统维护能力的一种集中维护系统。

3行业分类

国际公共运输联合会 (UITP)将城市轨道交通列车控制的自动运行等级（自动化运行等级Grades of Automation，，以下简称为GoA）分成五个级别，分别为：

1)GoA 0：在该等级下，司机依据信号显示目视操作列车运行，主要用于是传统的火车、路面电车使用。

2)GoA 1：在该等级下，司机依据信号显示操作列车手动运行，具备安全防护功能驾驶员负责控制列车的运行及停止、开关车门和处理突发事件。

3)GoA 2：在该等级下，列车依靠列车控制系统半自动运行，列车自动运行及停站，但需要驾驶员开关车门和处理突发事件。大多数的列车自动控制系统为GOA 2，也成为传统CBTC列车控制系统。

4)GoA 3：又称为DTO (无驾驶员监视列车控制系统Driverless Train Operation,以下简称为DTO)，列车自动运行及停止，但需要列车助理开关车门或处理突发事件。

5)GoA 4：又称为UTO全自动无人驾驶列车控制系统，列车自动运行及停止、开关车门和突发事件的处理均完全自动化，列车上无人员值守。

各个级别的转换关系如图1所示，在司机目视行车的情况下，也即无ATP防护的情况下为GoA0等级，有ATP防护的情况下为GoA1等级。在GoA1的基础上叠加系统自动控制运行的自动驾驶ATO功能则为GoA2等级。在GoA2基础上，根据系统是否自动处置降级/应急情况，区分为GoA3和GoA4.通常情况下，GoA4依据列车上的紧急情况是否需要人工实时参与区分为是否有人值守的UTO模式。

图1：城市轨道交通列车控制的自动运行等级转换关系

通常来说，无人值守的UTO即为城市轨道交通全自动无人驾驶，而GoA1、GoA2、GoA3即为城市轨道交通传统列车控制系统。本文所述的区别即为城市轨道交通全自动无人驾驶与传统列车控制系统在系统构成、系统功能和运营方面的差异。

4全自动无人驾驶列车控制系统与传统CBTC系统差异

根据EN 62267对于城市轨道交通列车控制系统的功能有较为明确的定义，主要体现在列车的驾驶模式、列车运行控制方式、停站、开关门的方式、列车启动和停车的方式、故障应对的方式。

GoA0几乎无列车控制系统，也不作为主流应用于城市轨道交通系统中作为列车控制系统，在EN 62267标准中未做详细的阐释，本文也不做详细介绍。以下从系统功能差异、管理差异和系统联动差异三个方面介绍城市轨道交通全自动无人驾驶与传统列车控制系统的差异。

4.1功能差异

GoA,1至GoA 4在功能是否由系统实现和驾驶模式方面逐层递进。以下从列车的驾驶模式、列车运行控制方式、停站、开关门的方式、列车启动和停车的方式、故障应对的方式在各个等级的列车控制系统的实现方式进行比较：1）GoA1的最高可以驾驶模式为ATP防护下的人工驾驶；2）GoA2在GoA1的基础上增加了系统自动控制运行的自动驾驶ATO、自动停站和自动开关门功能；3）GoA3在GoA2基础上增加了系统控制列车自动启动；4）GoA4在GoA3的基础上增加了系统对故障的应对。

对于传统CBTC系统和全自动运行系统的功能上的差异主要在于：1）驾驶的方式，正常的CBTC系统属于ATO或者DTO驾驶，在这种驾驶模式下列车运行控制仍需要司机的参与。而全自动无人驾驶系统最高可以驾驶模式为UTO驾驶，无需司机的参与；2）在正常运营模式下，全自动运行系统增加了列车和信号系统的综合自检功能以及列车上的工况管理；3）对于工作人员的防护，传统CBTC系统完全由人工完成，而在全自动无人驾驶系统中工作人员防护作为系统功能，由系统完成；3）在降级运营模式情况下，全自动无人驾驶系统增加了蠕动模式、列车站台自动对位、车门站台门对位隔离、选择性开关门、远程复位/重启等在降级运营模式下的支撑手段；4）在紧急运营模式情况下，全自动无人驾驶系统增加了备用控制中心、疏散、救援功能。

4.2管理差异

在系统功能变化的同时，全自动无人驾驶列车控制系统和常规CBTC列车控制系统司机的职能变化也是比较明显的，主要体现为：1）在全自动无人驾驶系统中，司机在正常情况下不需要在列车上值守。只有在紧急的情况下，由站台的综合人员代替司机驾驶列车；2）在全自动无人驾驶系统中，由OCC（运营控制中心Operation control center，以下简称为OCC）调度员管理全线的运营，可以包括线路及列车资源的运用、列车设备的管理、列车的清洁与维护等计划编制与实施，对运营维护人员的工作职责进行了整体规划和统一协调；3)在全自动无人驾驶系统运营中，某系统故障降级的情况由多个系统协调自动处理，比如站台门和车门的对位隔离功能、列车的故障检测功能，无需人为参与；4) 在全自动无人驾驶系统运营中，发生紧急情况或者危机安全的状况时，OCC调度员可进行远程控制。

4.3系统联动差异

在城市轨道交通的正常运行运营过程中，列车控制系统作为核心和控制大脑，与车辆系统、综合监控系统、无线通信系统、站台门系统等实现联动，实现控制命令的下发、控制状态的反馈。在全自动无人驾驶系统运营中，更是依赖于各个系统之间的联动和对控制命令的准确执行及反馈，只有这些系统之间相互配合才能保证城市轨道交通全自动无人驾驶系统的正常运行运营。

在GoA4等级下，由以前的各系统相互之间较为独立转变成各个系统相互联动，以列车控制系统为指挥的各个系统之间相互配合的关系。比如车辆的唤醒、休眠和自检都根据信号系统的命令执行并反馈相应的结果提供给OCC调度员。各个功能的发挥需要不止一个系统来完成，系统之间存在密切的接口关系。通过这些接口信息的传递，实现人机交互、控制命令的下发、控制状态的反馈，进而实现控制的精确性。

全自动无人驾驶系统与传统列车控制系统在联动方面的差异主要体现在以下的细节功能方面：列车休眠、综合自检、列车站台自动对位（JOG）、蠕动模式、站台自动发车、列车自动开关门、列车自动折返、站台自动清客、列车自动扣车、列车自动工况模式转换、列车自动鸣笛、列车自动出入库、列车休眠、中央ATS监测全线列车及设备的故障告警信息、车门站台门门自动对位隔离、远程车载/车辆健康度管理、车载设备自动重启、自动洗车、人员防护开关功能、司机室侧门门锁功能、司机室指示灯及按钮情况、记忆定位、疏散管理等。

在系统联动功能提升的前提下，就要求在联动功能有提升的情况下，增加各个系统之间相较于传统列车控制系统之间的接口信息，就是全自动无人驾驶与传统列车控制系统的另一个差异，就是接口的差异。限于各个系统实现方式和功能需求的不同，接口的差异很难统一而论，本文不再详细阐述。

5全自动无人驾驶列车控制系统的优势及列车控制系统发展展望

5.1全自动无人驾驶列车控制系统的优势

由于全自动无人驾驶系统在各种工况下均为自动完车，在运营方面的主要特点为系统自动功能替代了司机的操作，主要的优势为：1）由于全自动驾驶，减少了司机在每个车站上下车作业的时间，提高了平均旅行速度，从而减少列车的配置数量；2）由于全自动驾驶，高峰时期的出车作业，以及临时加开列车的作业可以不需要司机的参与，提高了服务水平，减少人员配置的冲突；3）由于全自动无人驾驶整合司机、站台人员工作和职责，提高精细化管理，减少人员的配置，提高整体的运营效率；4）由于列车上有自动唤醒功能，列车在正线夜间存车功能可以实现从而减少场段的规模，减少投资成本；5）列车在停车场、车辆段或者存车线就可以具备CBTC模式，因此不需要在出入段线进行模式转换就可以直接进入CBTC模式运营，从而减少出入段线的长度，进一步降低了投资。

5.2列车控制系统发展展望

从各个行业发展进程来看，无不遵从“由简至繁、由繁至简”的过程。城市轨道交通列车控制系统的发展也是如此，从早期城市轨道交通列车控制系统至传统CBTC再至UTO，从设备和功能便随着自动化程度的提高都由简单演化到复杂。行业中新兴的基于车车通信的自主列车控制系统在不降低自动化程度的前提下，设备却极大简化，走过了“由繁至简”的过程，有望成为城市轨道交通列车控制系统的核心主流技术。

然而，基于车车通信的自主列车控制系统还是构建在私有服务器之上，对线路的适用性和开放性存在较大的局限性。试想，未来的城市轨道交通列车控制系统有无可能在公有云上基于公开的列车定位技术建立一套适配各个城市轨道交通线路的列车控制系统，实现真正的互联互通。

同时加上系统配备了多个传感器(如摄像头、雷达、激光雷达等),用于实时感知周围环境并作出决策，实现高度自主性和自适应性，可以在各种复杂环境中实现安全行驶。随着无人驾驶技术的不断发展，该技术在更多领域发挥作用也是值得期待的，以提高交通运输的安全性和效率。

6结束语

城市轨道交通全自动无人驾驶技术的发展经历了从20世纪60年代初期探索到20世纪90年代的实验研究与示范项目，再到21世纪初商业化运营的过程。未来随着技术的不断进步和标准的逐步完善，这一技术将在城市轨道交通领域发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会.T_CAMET 04017.1-2019城市轨道交通 全自动运行系统规范第1部分：需求[S].2019.

[2]中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会.T_CAMET 04017.3-2019城市轨道交通 全自动运行系统规范第3部分：接口[S].2019.

[3]EN 62267-2009 Railway applications Automated urban guided transport.

[4]中华人民共和国国家标准.GB 50157—2013 地铁设计规范[S].2013.

作者简介：薛强（出生年：1986），性别：男，职称：高级工程师，学位：研究生，研究方向：城市轨道交通列车控制系统集成。